基于硅基液晶技術(shù)的嵌入式投影物鏡的設(shè)計

楊皓琨　趙冬娥　劉吉　霍晗

【摘 要】為了適應(yīng)投影設(shè)備向微型化和嵌入式的發(fā)展趨勢，以光學(xué)設(shè)計理論為基礎(chǔ)，使用Zemax軟件設(shè)計一款基于硅基液晶（LCOS）投影技術(shù)的嵌入式投影物鏡。該鏡頭由6片球面玻璃鏡片組成，有效焦距為9.8mm，相對孔徑為1/3，全視場角為56°，光學(xué)總長控制在21mm，最小鏡片厚度大于0.4mm，在鏡頭分辨率70lp/mm處，全視場調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）值皆大于0.45，畸變值小于1%。優(yōu)化結(jié)果滿足設(shè)計要求，且鏡片經(jīng)過加工樣板的匹配，能夠滿足生產(chǎn)加工的需要。

【關(guān)鍵詞】光學(xué)設(shè)計；嵌入式投影物鏡；Zemax；像質(zhì)分析；硅基液晶

【Abstract】In order to adapt to the developing trends of projection equipment to miniature and embedded， a projection lens based on LCOS（liquid crystal on silicon） projection technology was designed with Zemax software.The structure is composed of 6 pieces of spherical glass lenses， and its effective focal length is 9.8 mm，F(xiàn) number is 3，full field of view angle is 56 °.The optical total track is controlled at 21 mm and the minimum thickness of the lens is higher than 0.4 mm.At the limiting spatial frequency of 70lp/mm，its MTF value in all fields is higher than 0.45.The distortion value is less than 1%.The optimization results meet the design requirements and the lenses are matched through template matching， so the needs of production and processing can be satisfied.

【Key words】Optical design； Embedded projection lens； Zemax； Image quality analysis； Liquid crystal on silicon

0 引言

隨著投影技術(shù)的不斷發(fā)展，使其不斷趨于微型化和功能化。微型嵌入式投影技術(shù)，實現(xiàn)了超便攜式投影，可以將手機(jī)、平板電腦、多媒體機(jī)、筆記本電腦和汽車車載顯示等電子產(chǎn)品都賦予投影功能[1]。目前在投影物鏡的設(shè)計方面，已經(jīng)有了較多的研究成果。陳琛等[2]設(shè)計了大視場、小型化的投影物鏡；張禹等[3]在保證成像質(zhì)量前提下，降低了投影系統(tǒng)成本；李維善等[4]設(shè)計了基于DLP（digital light process）技術(shù)的微型投影物鏡。面對投影市場向高分辨率和便攜化的發(fā)展，考慮到硅基液晶（LCOS）投影技術(shù)具有高分辨率和小尺寸的特性[5]，本文在保證分辨率和成像質(zhì)量的前提下，減小鏡頭尺寸和鏡片數(shù)量，降低制造成本，基于Zemax軟件設(shè)計出一款LCOS投影系統(tǒng)的微型嵌入式投影物鏡，設(shè)計結(jié)果滿足生產(chǎn)需要。

1 鏡頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計指標(biāo)

根據(jù)要求設(shè)計一種嵌入式投影鏡頭，使用0.41的 LCOS芯片，LCOS顯示芯片的分辨率為1280pixel×720pixel，像素尺寸為7.1μm， 該鏡頭要求在600mm的投影距離，可以投射25大小的畫面，光學(xué)總長控制在22mm以內(nèi)，后工作距離大于10mm。該嵌入式投影物鏡的照明光源采用LED光源，其波長為617nm，525nm和464nm。最大畸變小于1%，中心視場的MTF值在鏡頭的分辨率大于0.6，邊緣視場以內(nèi)的MTF值均大于0.4，垂軸色差小于1/2pixel（1pixel大小為7.1μm）。

投影物鏡的焦距f和投射尺寸D=25，芯片尺寸d=0.41，投影距離l=600mm。存在關(guān)系式：f'/d=l/D，由此可知f=9.8mm。

由LCOS芯片尺寸0.41inch（1inch=25.4mm）可知半像高y=5.18mm，由公式y(tǒng)=f·tanω，確定視場角2ω=56°

由公式N=（N為極限分辨率，a為像素尺寸）[6]可知鏡頭的極限分辨率為70lp/mm。

2 設(shè)計過程

2.1 初始結(jié)構(gòu)選擇

對初始結(jié)構(gòu)的選取，是投影鏡頭設(shè)計的關(guān)鍵。由于在LCOS芯片和投影物鏡之間有其他光學(xué)元件，需要較長的后工作距離，（通常后工作距離要大于物鏡的焦距）因此采用反遠(yuǎn)距的光路結(jié)構(gòu)[7-8]。同時考慮到該投影系統(tǒng)需要嵌入在各電子產(chǎn)品中，所以限定其光學(xué)長度盡可能短。根據(jù)上述原則以及投影物鏡的設(shè)計參數(shù)，選取投影物鏡的初始結(jié)構(gòu)，其外形圖與MTF曲線分別如圖1、圖2所示。

該結(jié)構(gòu)由六片球面玻璃鏡片組成，其有效焦距為100mm，視場角為63°，相對孔徑為1/2.8，光學(xué)總長為208mm。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在選定初始結(jié)構(gòu)后，利用Zemax軟件進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。首先將初始結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)輸入Zemax軟件中，并設(shè)置波長和相對孔徑。隨后對初始結(jié)構(gòu)的焦距進(jìn)行縮放，使之達(dá)到要求的9.8mm。本文采用實際像高來控制視場，且視場的設(shè)置要在焦距縮放之后，以免視場像高同時被縮放。

初始結(jié)構(gòu)輸入完成后，開始進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化，步驟如下：

（1）設(shè)置優(yōu)化變量，包括鏡片的曲率半徑、厚度以及間距。

（2）選擇默認(rèn)的優(yōu)化函數(shù)，由于投影物鏡屬于大像差光學(xué)系統(tǒng)，需要首先選擇光斑半徑優(yōu)化的方式。同時基于實際加工生產(chǎn)的考慮，設(shè)定邊界條件，使鏡片中心厚度大于0.4mm，邊緣厚度大于0.2mm。

（3）添加操作數(shù)EFFL控制好物鏡焦距，TOTR控制系統(tǒng)的光學(xué)總長小于22mm，DMLT控制鏡頭的最大口徑小于3.5mm，后工作距大于10mm。添加操作數(shù)REAY，控制實際光線到達(dá)像面的像高，使其大于5.2mm，給后序LCOS芯片的組裝留下公差余量。

（4）添加操作數(shù)SPHA、COMA、ASTI、AXCL、LACL分別控制系統(tǒng)的初級球差、初級彗差、初級像散、初級軸向色差和初級垂軸色差。用DIMX控制各個視場的畸變，使其小于目標(biāo)值。

（5）添加MTFA、MTFT、MTFS，控制弧矢方向和子午方向傳遞函數(shù)值大于目標(biāo)值[9]。

（6）利用ZEMAX軟件中的Hammer Optimization功能，替換光學(xué)系統(tǒng)中的鏡片材料，選擇價格便宜且易于加工的玻璃材料。

（7）此外在每次優(yōu)化時，不能同時將所有數(shù)值設(shè)為變量，應(yīng)逐步控制調(diào)整。以上的優(yōu)化過程并不是一次就可完成，需要不斷修改各個操作數(shù)的權(quán)重，使優(yōu)化結(jié)果滿足目標(biāo)值，同時要保證鏡片曲率匹配加工樣板，匹配過程會降低系統(tǒng)的性能指標(biāo)，因此需要多次的循環(huán)設(shè)計。

3 設(shè)計結(jié)果與分析

經(jīng)過反復(fù)的優(yōu)化，設(shè)計出滿足系統(tǒng)參數(shù)要求的嵌入式投影物鏡，該物鏡由6片光學(xué)玻璃鏡片組成，且材料價格便宜，易于加工。該鏡頭焦距為9.8mm，光學(xué)總長約為21mm，后工作距為11mm，視場角56°，相對孔徑為1/3，圖3為該嵌入式投影物鏡的結(jié)構(gòu)圖。

優(yōu)化后的投影物鏡的MTF曲線如圖4所示，橫坐標(biāo)為空間頻率，縱坐標(biāo)為MTF值的大小。由圖可知，中心視場MTF值在70lp/mm時大于0.6；在0.707視場，MTF值在70lp/mm時弧矢方向大于0.53，子午方向大于0.65；全視場MTF值在70lp/mm時均大于0.45。圖5為該結(jié)構(gòu)的場曲、畸變特性曲線，從圖中可以看出，該物鏡最大場曲小于0.15mm，在整個視場內(nèi)的畸變量的絕對值小于1% 滿足設(shè)計指標(biāo)的要求。圖6為系統(tǒng)的整體像差圖，從圖可知，該結(jié)構(gòu)仍存在一些像差。圖7為投影物鏡的垂軸色差曲線圖，全視場的色差值控制在2.3μm內(nèi)，小于半個像素3.5μm。

4 結(jié)論

本文利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件建立合理的優(yōu)化函數(shù)，對選定的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最終設(shè)計出一款微型嵌入式投影物鏡。在優(yōu)化過程中，通過對操作數(shù)及其權(quán)重的調(diào)整，使設(shè)計結(jié)果符合要求。同時考慮實際加工生產(chǎn)需求，對各鏡片曲率進(jìn)行了樣板匹配，且各鏡片全部選用玻璃球面鏡片。該結(jié)構(gòu)相比同類設(shè)計，在保證分辨率及成像質(zhì)量前提下，減少了鏡片數(shù)量，縮小了最大口徑及光學(xué)總長，為嵌入式投影物鏡的設(shè)計提供有效參考。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：張濤]